CA2683048C

CA2683048C - Antenna having oblique radiating elements

Info

Publication number: CA2683048C
Application number: CA2683048A
Authority: CA
Inventors: Nelson Fonseca; Lionel Ries; Sami Hebib; Herve Aubert; Olivier Pascal
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2016-06-07
Anticipated expiration: 2028-04-14
Also published as: FR2915025A1; CA2683048A1; FR2915025B1; WO2008125662A1; EP2147479A1; US8289223B2; US20100060543A1; EP2147479B1

Abstract

The invention relates to an antenna comprising a plurality of metallic elements (10, 20, 30, 40), said metallic elements (10, 20, 30, 40) being in point contact (11, 21, 31, 41) with a ground plane (M) and equally distributed about a central axis of symmetry (D) of the antenna, perpendicular to the ground plane (M). The antenna of the invention is characterized in that each metallic element extends from the point contact at a non-zero angle of inclination (q) to said ground plane (M) and in that the ground plane (M) includes at least one cavity (80-83, 84-87) so that, in operation, the antenna matching is better in a specified frequency band than when the ground plane (M) has no cavities.

Description

WO 2008/12566 WO 2008/12566

2 PCT/EP2008/054507 ANTENNE A ELEMENTS RAYONNANTS INCLINES
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
La présente invention est relative aux antennes multibandes à
polarisation circulaire ou linéaire et présentant une flexibilité en fréquence.
L'invention trouve notamment application dans les systèmes de positionnement par satellites tels que le GPS et Galiléo, ainsi que dans les systèmes de diffusion par satellite de contenu multimédia.

ETAT DE LA TECHNIQUE
Les antennes multibandes sont, par exemple, utilisées dans des systèmes de positionnement ou de diffusion par satellites pour réduire le nombre d'antennes embarquées ou positionnées au sol.
En effet, de telles antennes permettent de combiner plusieurs bandes de fréquence dans une seule et même antenne. Elles permettent également la combinaison de plusieurs applications.
On connaît des antennes multibandes, comprenant quatre éléments rayonnants en forme de L inversé, disposés sur un support à faible constante diélectrique.
Une telle antenne est par exemple décrite dans le document WO
2005/004283.
Toutefois, la structure des antennes actuelles est limitée par la forme des éléments rayonnants et leur agencement les uns par rapport aux autres ce qui limite la réduction de l'encombrement, notamment lorsque l'on cherche à accroitre leur flexibilité en terme de fréquences de fonctionnement.
Or, la multiplicité des applications et des bandes associées fait apparaître le besoin d'antennes multibandes ayant une structure présentant un caractère flexible, de faible coût et offrant d'excellentes performances ou au moins équivalentes aux antennes dédiées à une application ou à une bande de fréquence donnée, tout en conservant un encombrement similaire voire moindre.

PRESENTATION DE L'INVENTION
Afin de pallier aux problèmes susmentionnés, l'invention propose une antenne comprenant une pluralité d'éléments métalliques, lesdits éléments métalliques étant en contact ponctuel avec un plan de masse et équirépartis autour d'un axe de symétrie central de l'antenne, perpendiculaire au plan de masse.
L'antenne de l'invention est caractérisée en ce que chaque élément métallique s'étend à partir du contact ponctuel selon un angle d'inclinaison non nul par rapport audit plan de masse et en ce que le plan de masse comprend au moins un évidement de manière à ce qu'en fonctionnement, l'adaptation de l'antenne soit meilleure dans une bande de fréquence spécifiée que lorsque le plan de masse est plein.
L'antenne de l'invention s'intègre avantageusement dans des systèmes de positionnement par satellites et/ou dans des systèmes de diffusion par satellite de contenu multimédia.

PRESENTATION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 illustre l'antenne de l'invention où les éléments métalliques sont des brins métalliques - la figure 2, illustre l'antenne de l'invention où les brins métalliques sont disposés sur les faces d'un substrat ;
- les figures 3a et 3b illustrent les vues de côtés de deux géométries possibles autres que rectilignes pour les éléments métalliques de l'antenne de l'invention - les figures 4a et 4b illustrent des motifs possibles pour les éléments métalliques de l'antenne de l'invention, - la figure 5 illustre l'antenne de la figure 2 avec le plan de masse prolongé par un cylindre et des filtres et des interrupteurs disposés sur les éléments métalliques 2 PCT / EP2008 / 054507 ANTENNA WITH INCLINED RADIANT ELEMENTS
GENERAL TECHNICAL FIELD
The present invention relates to multiband antennas to circular or linear polarization and having flexibility in frequency.
The invention finds particular application in systems of positioning satellites such as GPS and Galileo, as well as in satellite broadcasting systems for multimedia content.

STATE OF THE ART
For example, multiband antennas are used in positioning or satellite broadcasting systems to reduce the number of antennas on board or positioned on the ground.
Indeed, such antennas make it possible to combine several frequency bands in one and the same antenna. They allow also the combination of several applications.
Multiband antennas are known, comprising four elements inverted L-shaped radiators arranged on a low dielectric constant.
Such an antenna is for example described in the document WO
2005/004283.
However, the structure of the current antennas is limited by the shape radiating elements and their arrangement relative to each other which limits the reduction of congestion, especially when seeks to increase their flexibility in terms of operation.
However, the multiplicity of applications and associated bands makes the need for multiband antennas having a structure presenting flexibility, low cost and excellent performance or at least equivalent to antennas dedicated to an application or a given frequency band, while maintaining a similar footprint even less.

PRESENTATION OF THE INVENTION
In order to overcome the above-mentioned problems, the invention proposes an antenna comprising a plurality of metallic elements, said metallic elements being in point contact with a ground plane and equidistributed around a central axis of symmetry of the antenna, perpendicular to the ground plane.
The antenna of the invention is characterized in that each metallic element extends from point contact at an angle non-zero inclination with respect to said ground plane and in that the ground plane includes at least one recess so that operation, the adaptation of the antenna is better in a band specified frequency only when the ground plane is full.
The antenna of the invention is advantageously integrated into satellite positioning systems and / or in satellite systems satellite broadcasting of multimedia content.

PRESENTATION OF FIGURES
Other features and advantages of the invention will emerge again from the following description which is purely illustrative and not and should be read in conjunction with the accompanying drawings in which:
FIG. 1 illustrates the antenna of the invention where the elements Metallic are metal strands - Figure 2 illustrates the antenna of the invention where the strands metallic elements are arranged on the faces of a substrate;
FIGS. 3a and 3b illustrate the side views of two possible geometries other than rectilinear for the elements metallic antenna of the invention FIGS. 4a and 4b illustrate possible patterns for the metallic elements of the antenna of the invention, FIG. 5 illustrates the antenna of FIG. 2 with the plane of mass extended by a cylinder and filters and switches arranged on metal elements

3 - les figures 6a et 6b illustrent respectivement le coefficient de réflexion (dB) en fonction de la fréquence (GHz) de l'antenne de la figure 5 simulé lorsque les interrupteurs placés sur chaque élément métallique sont respectivement ouverts et fermés ;
- les figures 7a, 7b et 7c illustrent le diagramme de rayonnement de l'antenne de la figure 5 simulé dans les fréquences 1,189 GHz, 1,280 GHz et 1,575 GHz respectivement ;
- les figures 8a, 8b et 8c illustrent respectivement un plan de masse plein, un plan de masse avec quatre évidements de forme rectangulaire et un plan de masse avec quatre évidements de forme circulaire ;
- les figures 9a et 9b illustrent respectivement le coefficient de réflexion (dB) en fonction de la fréquence pour l'antenne de la figure 5, une antenne avec un plan de masse plein (figure 8a) et une antenne avec un plan de masse comprenant quatre évidements de forme circulaire (figure 8c).

DESCRIPTION D'UN OU PLUSIEURS MODES DE REALISATION
ET DE MISE EN CEUVRE
Structure de l'antenne La figure 1 illustre une antenne comprenant des éléments métalliques qui, en fonctionnement, sont aptes à rayonner formant par conséquent éléments rayonnants.
La structure de l'antenne comprend de manière générale une pluralité d'éléments métalliques, 10, 20, 30, 40.
L'antenne comprend typiquement quatre éléments métalliques.
Les éléments métalliques 10, 20, 30, 40 sont répartis autour d'un axe de symétrie D central de l'antenne, perpendiculaire au plan de masse M (il est entendu ici que l'axe de symétrie passe par le centre O du plan de masse M).
Les éléments métalliques sont en contact ponctuel 11, 21, 31, 41 avec le plan de masse M. 3 FIGS. 6a and 6b respectively illustrate the coefficient of reflection (dB) as a function of the frequency (GHz) of the antenna of Figure 5 simulated when the switches placed on each metal element are respectively open and closed;
FIGS. 7a, 7b and 7c illustrate the diagram of antenna radiation of Figure 5 simulated in the frequencies 1,189 GHz, 1,280 GHz and 1,575 GHz respectively;
FIGS. 8a, 8b and 8c respectively illustrate a plan of solid mass, a ground plane with four shape recesses rectangular and a ground plane with four shape recesses circular;
FIGS. 9a and 9b respectively illustrate the coefficient of reflection (dB) as a function of frequency for the antenna of the Figure 5, an antenna with a solid ground plane (Figure 8a) and a antenna with a ground plane comprising four recesses of circular shape (Figure 8c).

DESCRIPTION OF ONE OR MORE EMBODIMENTS
AND IMPLEMENTATION
Antenna structure Figure 1 illustrates an antenna comprising elements which, in operation, are capable of radiating therefore radiating elements.
The antenna structure generally includes a plurality of metal elements, 10, 20, 30, 40.
The antenna typically comprises four metal elements.
The metal elements 10, 20, 30, 40 are distributed around an axis of symmetry D central of the antenna, perpendicular to the plane of mass M (it is understood here that the axis of symmetry passes through the center O of the plane of mass M).
The metallic elements are in point contact 11, 21, 31, 41 with the ground plane M.

4 Ils s'étendent en outre du plan de masse M selon un angle d'inclinaison 0 non nul par rapport au plan de masse M.
L'angle d'inclinaison 0 des éléments métalliques avec le plan de masse M, est fonction de l'application. Il peut être par conséquent droit, aigu (inférieur à 900) ou obtus (supérieur à 90 ).
De manière avantageuse, les éléments métalliques sont équirépartis autour d'un cercle de centre, le centre O du plan de masse M.
Un tel cas est illustré sur la figure 1. Sur cette figure l'antenne comprend, quatre éléments métalliques et 90 séparent la partie 11, 21, 31, 41 de chaque élément métallique en contact ponctuel avec le plan de masse M.
De manière avantageuse, les éléments métalliques, 10, 20, 30, 40, sont identiques et leur angle d'inclinaison 0 par rapport au plan de masse M
est égal à 45 .
En outre, l'angle d'inclinaison 0 initié à chaque élément métallique est tel que les éléments métalliques sont orientés dans la même direction, ils peuvent être orientés en direction de l'axe de symétrie D de l'antenne ou bien dans une direction opposée.
Sur l'antenne de la figure 1, les éléments métalliques sont orientés en direction de l'axe de symétrie D de l'antenne perpendiculaire au plan de masse M.
Il est à noter que les éléments métalliques 10, 20, 30, 40 sont imprimés sur un substrat diélectrique, ce substrat étant en outre supporté
par une structure S pyramidale n'ayant pas de propriétés radiofréquences.
La structure pyramidale peut en outre comprendre un nombre de côtés supérieur à quatre.
Une telle structure assure la tenue mécanique de l'antenne et peut être en matériau polystyrène.
La figure 2 illustre une antenne comprenant une structure S
pyramidale sur laquelle sont disposés les éléments métalliques imprimés sur un substrat diélectrique.

La structure est de forme adaptée à l'inclinaison des éléments métalliques 10, 20, 30, 40.
Sur la figure 2, la structure S a une forme pyramidale. On utilisera de préférence une structure S de cette forme pour la réalisation de l'antenne. 4 They extend further from the ground plane M at an angle inclination 0 not zero relative to the ground plane M.
The angle of inclination 0 of the metallic elements with the plane of mass M, depends on the application. It can therefore be right, acute (less than 900) or obtuse (greater than 90).
Advantageously, the metal elements are evenly distributed around a circle of center, the center O of the ground plane M.
Such a case is illustrated in Figure 1. In this figure the antenna comprises, four metal elements and 90 separate the portion 11, 21, 31, 41 of each metal element in point contact with the plane of mass M.
Advantageously, the metal elements, 10, 20, 30, 40, are identical and their angle of inclination 0 with respect to the ground plane M
is equal to 45.
In addition, the angle of inclination 0 initiated at each metal element is such that the metallic elements are oriented in the same direction, they can be oriented towards the axis of symmetry D of the antenna or well in an opposite direction.
On the antenna of Figure 1, the metal elements are oriented in the direction of the axis of symmetry D of the antenna perpendicular to the plane of mass M.
It should be noted that the metal elements 10, 20, 30, 40 are printed on a dielectric substrate, this substrate being further supported by a pyramidal structure S having no radiofrequency properties.
The pyramidal structure may further comprise a number of sides greater than four.
Such a structure ensures the mechanical strength of the antenna and can be made of polystyrene material.
FIG. 2 illustrates an antenna comprising a structure S
pyramidal on which are placed the printed metal elements on a dielectric substrate.

The structure is shaped to fit the elements metal 10, 20, 30, 40.
In Figure 2, the structure S has a pyramidal shape. We will use preferably a structure S of this form for producing the antenna.

5 Sur chacune des faces de la structure S, les éléments métalliques sont disposés.
Eléments métalliques Les éléments métalliques peuvent prendre différentes formes.
Les figures 3a, 3b illustrent respectivement un élément métallique en forme de brin en arc de cercle et un élément métallique en forme de brin brisé.
Outre l'utilisation de brins, on peut envisager des motifs géométriques plus complexes.
Les figures 4a et 4b illustrent des motifs à géométrie fractale obtenus après plusieurs itérations d'une forme triangulaire.
La forme, le motif, la longueur et l'inclinaison des éléments métalliques sont des paramètres qui ont une influence sur la largeur de bande et sur le diagramme de rayonnement de l'antenne.
Plan de masse Le plan de masse M présente des dimensions qui vont conditionner les performances de l'antenne en termes de rayonnement.
Le plan de masse M est typiquement circulaire. L'épaisseur et le rayon du plan de masse M sont dimensionnés de manière à limiter les réflexions sur ses bords.
En outre, le plan de masse M peut comprendre un évidement 50 ménagé en son centre pour améliorer l'adaptation de l'antenne, ceci est illustré sur la figure 1. L'évidement est de forme circulaire, carrée ou octogonale.
De plus, dans cette configuration, afin de limiter le rayonnement arrière engendré par l'évidement ménagé dans le plan de masse, on peut le prolonger par un cylindre, une pyramide ou un cône, ces deux dernières formes pouvant au besoin être tronquées. 5 On each of the faces of the structure S, the metallic elements are arranged.
Metallic elements Metal elements can take different forms.
FIGS. 3a, 3b respectively illustrate a metal element in arcuate strand shape and a strand-shaped metal element broken.
In addition to the use of strands, it is possible to envisage more complex geometries.
FIGS. 4a and 4b illustrate fractal geometry patterns obtained after several iterations of a triangular shape.
The shape, pattern, length and inclination of the elements are parameters that influence the width of band and on the antenna radiation pattern.
Mass Plan The ground plane M has dimensions that will condition the performance of the antenna in terms of radiation.
The ground plane M is typically circular. The thickness and radius of the mass plane M are dimensioned so as to limit the reflections on its edges.
In addition, the ground plane M may comprise a recess 50 in the center to improve antenna tuning, this is illustrated in Figure 1. The recess is circular, square or octagonal.
In addition, in this configuration, in order to limit the radiation rear generated by the recess in the ground plane, we can extend by a cylinder, a pyramid or a cone, these last two forms that may be truncated if necessary.

6 La figure 5 illustre une antenne comprenant un cylindre 60 ou guide d'onde droit, prolongeant le plan de masse. Les dimensions du cylindre sont adaptées à l'évidement 50.
Un tel cylindre agit comme un guide d'onde fonctionnant sous sa fréquence de coupure ce qui permet de limiter le rayonnement arrière de l'antenne.
Comme déjà mentionné, le plan de masse M peut être prolongé par une pyramide (guide d'onde pyramidal) ou un cône (guide d'onde conique), cette forme étant au besoin tronquée en fonction des contraintes d'encombrement et des performances en rayonnement arrière.
L'emploi de ces formes permet de fermer le plan de masse M, et donc de réduire le rayonnement arrière tout en conservant l'amélioration de l'adaptation de l'antenne liée à l'évidement.
Le prolongement du plan de masse M par un cône, une pyramide ou un cylindre contribue à l'amélioration des performances de l'antenne et constitue également un moyen de réglage supplémentaire de l'antenne.
Afin d'être correctement positionné au niveau du plan de masse M, la forme de la section du guide (droit, pyramidal ou conique) est identique à
l'évidement ménagé dans le plan de masse M.
En fonction de l'application ciblée, il est possible de ne pas utiliser de forme prolongeant le plan de masse M afin de réduire l'encombrement de l'antenne.
Dans ce cas, le plan de masse M peut comprendre plusieurs évidements.
Une telle configuration permet de contrôler le rayonnement arrière tout en ayant une adaptation meilleure que dans le cas où le plan de masse M est plein (sur la figure 8a est représentée une antenne avec un plan de masse M plein).
Le plan de masse M doit comprendre un nombre d'évidements égal au nombre d'éléments métalliques, c'est-à-dire quatre évidements.
On a représenté sur les figures 8b et 8c un plan de masse M
comprenant quatre évidements 80-83, 84-87. 6 FIG. 5 illustrates an antenna comprising a cylinder 60 or guide right wave, extending the ground plane. The dimensions of the cylinder are adapted to the recess 50.
Such a cylinder acts as a waveguide operating under its cutoff frequency which limits the back radiation of the antenna.
As already mentioned, the ground plane M can be extended by a pyramid (pyramidal waveguide) or a cone (conical waveguide), this form being truncated as needed depending on the constraints congestion and rear radiation performance.
The use of these forms makes it possible to close the plane of mass M, and therefore to reduce the back radiation while maintaining the improvement of the adaptation of the antenna related to the recess.
The extension of the plane of mass M by a cone, a pyramid or a cylinder contributes to improving the performance of the antenna and is also a means of additional adjustment of the antenna.
In order to be correctly positioned at the level of the ground plane M, the shape of the guide section (straight, pyramidal or conical) is identical to the recess in the ground plane M.
Depending on the targeted application, it is possible not to use shape extending the ground plane M in order to reduce the bulk of the antenna.
In this case, the ground plane M may comprise several recesses.
Such a configuration makes it possible to control the rear radiation while having a better adaptation than in the case where the ground plane M is full (in FIG. 8a is shown an antenna with a plane of mass M full).
The ground plane M must include an equal number of recesses to the number of metal elements, that is to say four recesses.
FIGS. 8b and 8c show a ground plane M
comprising four recesses 80-83, 84-87.

7 Sur la figure 8b les évidements 80-83 sont de forme rectangulaire. La forme rectangulaire est telle que le contact ponctuel de chaque élément métallique avec le plan de masse M définit le milieu d'un des côtés de chaque partie supérieure de la forme rectangulaire.
Sur la figure 8c les évidements 84-87 sont de forme circulaire, chacune adjacente à un contact ponctuel. De plus, pour chaque évidement, la tangente T à la partie supérieure de l'évidement de forme circulaire passe par le contact ponctuel correspondant.
Dans la configuration avec plusieurs évidements, ces derniers sont équirépartis de la même manière que les éléments métalliques (les éléments rayonnants de l'antenne).
De manière générale pour passer d'un évidement à un autre une rotation de 90 est nécessaire.
Les évidements de forme rectangulaires sont inscrits à l'intérieur d'un carré de centre O, le centre du plan de masse M, la distance du centre O
aux contacts ponctuels définissant les médiatrices du carré.
Les évidements de forme circulaire sont quant eux inscrits à
l'intérieur du cercle inscrit au carré évoqué ci-dessus.
Les évidements peuvent en outre être de forme rectangulaire, octogonale.
En outre, les quatre évidements du plan de masse M peuvent être prolongés par des guides d'ondes droits, pyramidaux ou coniques, éventuellement tronqués. Ces guides d'ondes sont agencés au niveau des évidements et sont tels que la forme de leurs sections au niveau du contact avec le plan de masse M est identique aux évidements ménagés dans celui-ci.
Alimentation de l'antenne L'antenne est alimentée au moyen d'excitations 12, 22, 32, 42 situées au niveau du contact 11, 21, 31, 41 de chaque élément métallique 10, 20, 30, 40 avec le plan de masse M.
Pour des raisons de réalisation, de manière préférée, on utilise des lignes de transmission 13, 23, 33, 43 dans le prolongement de chaque 7 In Figure 8b the recesses 80-83 are rectangular in shape. The rectangular shape is such that the point contact of each element metallic with the ground plane M defines the middle of one of the sides of each upper part of the rectangular shape.
In FIG. 8c the recesses 84-87 are circular in shape, each adjacent to a point contact. In addition, for each recess, the tangent T at the top of the circular-shaped recess passes by the corresponding point contact.
In the configuration with several recesses, these are equidistributed in the same way as the metallic elements (the radiating elements of the antenna).
In general, to go from one recess to another 90 rotation is needed.
The rectangular shaped recesses are inscribed inside a center square O, center of mass plane M, distance from center O
to the point contacts defining the mediators of the square.
The recesses of circular form are registered in inside the squared circle mentioned above.
The recesses may also be rectangular in shape, octagonal.
In addition, the four recesses of the ground plane M can be prolonged by straight, pyramidal or conical waveguides, possibly truncated. These waveguides are arranged at the level of recesses and are such that the shape of their sections at the contact level with the plane of mass M is identical to the recesses formed in this one.
Power supply of the antenna The antenna is powered by means of excitations 12, 22, 32, 42 located at the contact 11, 21, 31, 41 of each metallic element 10, 20, 30, 40 with the ground plane M.
For reasons of embodiment, preferably, transmission lines 13, 23, 33, 43 in the extension of each

8 élément métallique. Les points d'excitations sont connectés aux extrémités de ces lignes de transmission par le dessous du plan de masse M que l'on aura percé en conséquence.
L'emploi de ces lignes de transmission et leur dimensionnement est fonction de l'évidement pratiqué dans le plan de masse M.
Les lignes de transmission sont par exemple des lignes microrubans d'impédance caractéristique égale à 50 S2 formées dans le même matériau que le substrat S sur lequel sont imprimés les éléments métalliques.
L'antenne présentée est à polarisation circulaire ou linéaire.
La polarisation linéaire est obtenue lorsque deux éléments métalliques sont alimentés, dans ce cas ils sont alimentés avec des tensions d'amplitudes identiques en opposition de phase.
La polarisation circulaire est quant à elle obtenue lorsque quatre éléments métalliques sont alimentés, dans ce cas là ils sont alimentés avec des tensions d'amplitudes identiques en quadrature de phase.
Caractère flexible et/ou multibande de l'antenne L'antenne présente en outre un caractère flexible et/ou multibande.
Tel que connu en soi c'est la géométrie des éléments rayonnants qui conditionne les fréquences de fonctionnement d'une antenne.
L'aspect multibande est obtenu au moyen de filtres coupe bande , F1, F2, F3, F4 (non représenté) typiquement constitués de circuit comprenant une inductance L et un condensateur C montés en parallèle.
Ces filtres sont placés sur chacun des éléments métalliques.
Le caractère flexible en termes de fréquence de fonctionnement de l'antenne est obtenu au moyen d'interrupteurs, 11, 12, 13, 14 (non représenté) montés sur chacun des éléments métalliques.
En pratique, les interrupteurs selon leur position ouverte ou fermée permettent de régler la longueur et/ou la géométrie des éléments métalliques.
De manière plus précise, en termes de performances, ils permettent de déplacer les fréquences de fonctionnement de l'antenne vers de plus basses fréquences notamment lorsqu'ils sont commutés en position fermée. 8 metal element. The excitement points are connected to the ends of these transmission lines from below the plane of mass M that we will have pierced accordingly.
The use of these transmission lines and their dimensioning is function of the recess practiced in the ground plane M.
The transmission lines are for example microstrip lines characteristic impedance equal to 50 S2 formed in the same material that the substrate S on which are printed the metal elements.
The antenna shown is circular or linear polarization.
Linear polarization is obtained when two elements are powered, in which case they are powered with voltages of identical amplitudes in opposition of phase.
Circular polarization is obtained when four metal elements are powered, in this case they are powered with voltages of identical amplitudes in phase quadrature.
Flexible and / or multiband character of the antenna The antenna further has a flexible character and / or multiband.
As known in itself is the geometry of the radiating elements which conditions the operating frequencies of an antenna.
The multi-band aspect is obtained by means of band-cut filters, F1, F2, F3, F4 (not shown) typically consist of circuit comprising an inductor L and a capacitor C connected in parallel.
These filters are placed on each of the metal elements.
The flexible nature in terms of operating frequency of the antenna is obtained by means of switches, 11, 12, 13, 14 (not shown) mounted on each of the metal elements.
In practice, the switches according to their open position or Closed, you can adjust the length and / or geometry of metal elements.
More specifically, in terms of performance, they allow to move the operating frequencies of the antenna to more low frequencies in particular when they are switched to the closed position.

9 Il est à noter que sur chacun des éléments métalliques les filtres et les interrupteurs sont positionnés de manière identique sur chacun des éléments métalliques afin de conserver la symétrie de la structure rayonnante.
Prototype Afin de valider la structure d'antenne qui vient d'être décrite, plusieurs prototypes ont été réalisés et testés afin de vérifier qu'ils satisfont aux contraintes d'adaptation et de rayonnement dans les bandes de fréquence de fonctionnement visées.
Les prototypes réalisés comprennent quatre éléments rayonnants.
Le prototype réalisé est en particulier celui illustré par la figure 5.
Sur cette figure, l'antenne comprend quatre brins métalliques rayonnants de largeur égale à 1 mm imprimés sur un substrat diélectrique disposé sur un support en matériau polystyrène en forme de pyramide.
Le substrat diélectrique présente dans ce cas une permittivité
diélectrique égale à 2,08 et d'épaisseur typiquement égale à 0,762 mm.
Les éléments métalliques sont prolongés par des lignes microrubans de largeur égale à 2,39 mm sur lesquels on va connecter les excitations associées à chaque élément métallique.
Comme déjà discuté l'antenne permet selon l'alimentation d'avoir une polarisation linéaire ou circulaire.
La polarisation linéaire est obtenue en alimentant deux éléments métalliques opposés.
La polarisation circulaire est obtenue en alimentant les quatre éléments métalliques.
La flexibilité en fréquence est obtenue au moyen d'interrupteurs disposés le long des éléments métalliques.
L'aspect multibande est obtenu au moyen de filtres coupe bande disposés le long des éléments métalliques.
Le prototype réalisé ici est bi-bande et vise les trois bandes suivantes (bi-bande à un instant donné et possibilité de commuter au moyen des interrupteurs pour atteindre la troisième bande).

Les bandes sont les suivantes : bande 1 : E5a/L5 et E5b, bande 2 E6, bande 3: L1 étendue.
La bande 3 est toujours présente et selon la position ouverte ou fermée des interrupteurs, on va pouvoir ou avoir la bande 1 et la bande 3 ou 5 la bande 2 et la bande 3.
Les fréquences des bandes visées par l'antenne sont, à titre illustratif et non limitatif, celles du système GPS (en anglais, Global Positioning System ) et du système Galiléo.
Les fréquences du système GPS sont les suivantes. 9 It should be noted that on each of the metal elements the filters and the switches are positioned identically on each of the metal elements to maintain the symmetry of the structure radiant.
Prototype In order to validate the antenna structure which has just been described, several prototypes were made and tested to verify that they satisfy the constraints of adaptation and radiation in the bands of operating frequency referred to.
The prototypes made include four radiating elements.
The prototype produced is in particular that illustrated in FIG.
In this figure, the antenna comprises four metal strands radii equal to 1 mm wide printed on a dielectric substrate arranged on a support in polystyrene material in the form of a pyramid.
The dielectric substrate in this case has a permittivity dielectric equal to 2.08 and of thickness typically equal to 0.762 mm.
Metal elements are extended by microstrip lines width equal to 2.39 mm on which we will connect the excitations associated with each metal element.
As already discussed the antenna allows according to the diet to have a linear or circular polarization.
Linear polarization is obtained by feeding two elements opposite metal.
Circular polarization is obtained by feeding the four metal elements.
Frequency flexibility is achieved by means of switches arranged along the metal elements.
The multiband aspect is obtained by means of band-cut filters arranged along the metal elements.
The prototype made here is bi-band and targets the following three bands (bi-band at a given moment and possibility of switching by means of switches to reach the third band).

The bands are as follows: Band 1: E5a / L5 and E5b, Band 2 E6, band 3: extended L1.
The band 3 is always present and according to the open position or closed switches, we will be able to have the band 1 and the band 3 or 5 band 2 and band 3.
The frequencies of the bands covered by the antenna are, by way of illustration and not limiting, those of the GPS system (in English, Global Positioning System) and the Galileo system.
The frequencies of the GPS system are as follows.

10 Bande L1 : 1,563-1,587 GHZ (applications civiles), bande L2 : 1,215-1,237 GHz (applications militaires principalement), bande L5 : 1,164-1,197 GHz (en vue de la modernisation du système GPS actuel).
Les fréquences du système Galiléo sont les suivantes.
Bande E5a : 1,164-1,197 GHz, bande E5b : 1,197-1,214 GHz, bande E5 étendue : 1,142-1,252 GHz (pour des applications nécessitant une forte précision), bande E6 : 1,260-1,300 GHz, bande L1 étendue (cf. système GPS) : 1,559-1,591 GHz.
Les figures 6a et 6b illustrent le coefficient de réflexion (dB) en fonction de la fréquence de fonctionnement (GHz) lorsque les interrupteurs sont en position ouvert (cf. figure 6a) et en positon fermée (cf. figure 6b).
Un tel paramètre permet de tester les performances de l'antenne en adaptation.
Sur ces figures, la courbe 60 est obtenue par des simulations effectuées sur le prototype, la courbe 61 est la courbe cible que l'on souhaite atteindre et la courbe 62 correspond aux spécifications nominales d'adaptation dans les bandes visées.
Il est à remarquer sur ces figures que l'antenne est bi-bande de par l'utilisation des filtres.
En effet, comme prévu la bande 3(L1 étendue) est toujours présente. Les bandes 1 et 2 sont respectivement atteintes selon la position ouverte ou fermée des interrupteurs. Band L1: 1.563-1.587 GHZ (civilian applications), L2 band: 1.215-1.237 GHz (mainly military applications), L5 band: 1.164-1.197 GHz (for modernization of the current GPS system).
The frequencies of the Galileo system are as follows.
Band E5a: 1,164-1,197 GHz band E5b: 1,197-1,214 GHz band Extended E5: 1.142-1.252 GHz (for applications requiring strong accuracy), band E6: 1,260-1,300 GHz, extended band L1 (see system GPS): 1.559-1.591 GHz.
Figures 6a and 6b illustrate the reflection coefficient (dB) in function of the operating frequency (GHz) when the switches are in the open position (see Figure 6a) and in the closed position (see Figure 6b).
A
such parameter makes it possible to test the performance of the antenna in adaptation.
In these figures, the curve 60 is obtained by simulations performed on the prototype, curve 61 is the target curve that we wish to reach and the curve 62 corresponds to the nominal specifications in the bands concerned.
It should be noted in these figures that the antenna is bi-band by the use of filters.
Indeed, as expected, band 3 (Extended L1) is still present. Bands 1 and 2 are respectively reached according to the position open or closed switches.

11 Toujours en se référant aux figures 6a et 6b on constate que l'adaptation pour chacune des bandes visées satisfait aux spécifications nominales requises.
Une telle adaptation permet une émission de près de 90% de l'énergie transmise à l'antenne.
Par ailleurs, les bandes retenues permettent en fonction de l'état de l'interrupteur d'utiliser indifféremment cette même antenne pour des applications de sécurité civile (aviation, etc.) ou des services commerciaux de navigation par satellite.
Le choix entre flexibilité et multibande est guidé par l'application et surtout la proximité des bandes de fréquence à couvrir. La nature des filtres employés impose une séparation minimum entre deux bandes de fréquence successives.
Lorsque ces dernières sont relativement proches, il est préférable d'opter pour un interrupteur si les performances des éléments rayonnants sont telles qu'elles ne permettent pas de couvrir simultanément les deux bandes de fréquence en question. Ce dernier point peut guider le choix du motif des éléments rayonnants.
Les figures 7a, 7b et 7c illustrent le diagramme de rayonnement de l'antenne de la figure 5 simulé dans les fréquences 1,189 GHz, 1,280 GHz et 1,575 GHz respectivement.
L'antenne présentée a une polarisation circulaire, les éléments rayonnants sont alimentés en quadrature de phase.
Sur ces figures la courbe 70 est le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire gauche, la courbe 71 est le diagramme de rayonnement en polarisation circulaire droite et la courbe 72 est un gabarit représentant les valeurs minimales requises en polarisation principale.
Il est à remarquer sur les figures 7a, 7b et 7c que les diagrammes de rayonnement obtenus sont de nature quasi hémisphérique, permettant la réception d'un maximum de signaux issus des satellites en visibilité.
Ce type de diagramme de rayonnement est caractéristique des antennes réceptrices pour des applications de navigation par satellites. 11 Still referring to FIGS. 6a and 6b, it can be seen that the adaptation for each of the target bands meets the specifications nominal requirements.
Such an adaptation allows an emission of nearly 90% of the energy transmitted to the antenna.
In addition, the bands selected allow, depending on the state of the switch to use the same antenna indifferently for civil security applications (aviation, etc.) or commercial services satellite navigation.
The choice between flexibility and multiband is guided by the application and especially the proximity of the frequency bands to be covered. The nature of filters employees impose a minimum separation between two frequency bands successive.
When the latter are relatively close, it is preferable to opt for a switch if the performance of the radiating elements are such that they can not cover both frequency bands in question. This last point can guide the choice of pattern of the radiating elements.
Figures 7a, 7b and 7c illustrate the radiation pattern of the antenna of Figure 5 simulated in the frequencies 1,189 GHz, 1,280 GHz and 1.575 GHz respectively.
The antenna presented has a circular polarization, the elements radiators are fed in quadrature phase.
In these figures the curve 70 is the radiation pattern in left circular polarization, curve 71 is the graph of radiation in right circular polarization and curve 72 is a template representing the minimum required values in main polarization.
It should be noted in FIGS. 7a, 7b and 7c that the diagrams of radiation obtained are of a quasi-hemispheric nature, allowing the receiving a maximum of signals from satellites in visibility.
This type of radiation pattern is characteristic of receiving antennas for satellite navigation applications.

12 La polarisation croisée obtenue en simulation est inférieure à -10 dB
dans le demi-espace d'intérêt, assurant ainsi une pureté de polarisation nécessaire au bon fonctionnement de l'antenne.
Les figures 9a et 9b illustrent les performances comparées d'une antenne avec un plan de masse comprenant un évidement ménagé en son centre prolongé par un cylindre, d'une antenne avec un plan de masse plein, d'une antenne avec un plan de masse comprenant quatre évidements.
Ces deux dernières solutions peuvent être envisagées pour offrir un encombrement réduit en hauteur de l'antenne si l'application le nécessite.
La figure 9a illustre le coefficient de réflexion (dB) en fonction de la fréquence de fonctionnement (GHz).
Sur cette figure, les courbes 60, 90 et 91 illustrent le coefficient de réflexion pour respectivement l'antenne avec un plan de masse comprenant un évidement ménagé en son centre prolongé par un cylindre, pour l'antenne avec un plan de masse comprenant quatre évidements, pour l'antenne avec un plan de masse plein et la courbe 62 représente les spécifications attendues.
Il ressort de cette figure que l'antenne avec un plan de masse comprenant quatre évidements, courbe 91 est une solution intermédiaire entre une solution avec un plan de masse plein, courbe 90 et la solution la meilleure à savoir une antenne avec un plan de masse comprenant un évidement ménagé en son centre.
Pour une même longueur d'éléments rayonnants, les différents modes de réalisation du plan de masse offrent des fréquences de résonance différentes.
Ainsi, les éléments rayonnants ont été optimisés en adaptation pour le plan de masse comprenant un évidement ménagé en son centre et prolongé par un cylindre, courbe 60.
Les mêmes éléments rayonnants disposés sur un plan de masse plein présentent un décalage en fréquence vers le haut d'environ 14 %, courbe 90, ce qui sous-entend que la correction de ce décalage en 12 The cross polarization obtained in simulation is less than -10 dB
in the half-space of interest, thus ensuring polarization purity necessary for the proper functioning of the antenna.
Figures 9a and 9b illustrate the comparative performance of a antenna with a ground plane comprising a recess arranged in its center extended by a cylinder, an antenna with a ground plane full, of an antenna with a ground plane comprising four recesses.
These last two solutions can be considered to offer a reduced height of the antenna if the application requires it.
Figure 9a shows the reflection coefficient (dB) as a function of the operating frequency (GHz).
In this figure, the curves 60, 90 and 91 illustrate the coefficient of reflection for respectively the antenna with a ground plane comprising a recess arranged in its center extended by a cylinder, for the antenna with a ground plane comprising four recesses, for the antenna with a solid ground plane and the curve 62 represents the expected specifications.
It appears from this figure that the antenna with a plane of mass comprising four recesses, curve 91 is an intermediate solution between a solution with a solid ground plane, curve 90 and the solution better to know an antenna with a ground plane including a recess in the center.
For the same length of radiating elements, the different ground plan embodiments offer frequencies of different resonance.
Thus, the radiating elements have been optimized in adaptation for the ground plane including a recess in its center and extended by a cylinder, curve 60.
The same radiating elements arranged on a ground plane full have an upward frequency shift of approximately 14%, curve 90, which implies that the correction of this shift in

13 fréquence nécessite un allongement des éléments rayonnants du même ordre.
Les mêmes éléments rayonnants disposés sur un plan de masse comprenant quatre évidements présentent un décalage en fréquence vers le haut de 8 %, courbe 91, ce qui sous-entend un allongement des éléments rayonnants moins important de près de moitié comparé à la solution avec un plan de masse plein.
De plus, la figure 9b illustre le diagramme de rayonnement (dBi) en fonction de l'angle thêta (degrés).
Sur cette figure, les courbes 93, 94 et 71 représentent la polarisation circulaire gauche pour respectivement l'antenne avec un plan de masse comprenant un évidement ménagé en son centre prolongé par un cylindre, pour l'antenne avec un plan de masse comprenant quatre évidements, pour l'antenne avec un plan de masse plein.
Toujours sur cette figure, les courbes 97, 96 et 70 représentent la polarisation croisée pour respectivement l'antenne avec un plan de masse comprenant un évidement ménagé en son centre prolongé par un cylindre, pour l'antenne avec un plan de masse comprenant quatre évidements, pour l'antenne avec un plan de masse plein et la courbe 72 représente les spécifications attendues pour la polarisation principale.
En termes de polarisation circulaire gauche, les performances des antennes sont équivalentes.
En termes de polarisation croisée les performances de l'antenne avec un plan de masse comprenant un évidement au centre prolongé par un cylindre sont les meilleures dans le demi-espace d'intérêt (angle thêta compris entre -90 et +90 ). Par contre cette solution présente un rayonnement arrière (angle thêta proche de 180 ) plus important que les solutions à plan de masse plein ou à quatre évidements.
Ce dernier paramètre peut s'avérer important si l'application visée nécessite de réduire les interactions électromagnétiques avec la structure porteuse. 13 frequency requires an elongation of the radiating elements of the same order.
The same radiating elements arranged on a ground plane comprising four recesses have a frequency shift to the top of 8%, curve 91, which implies an elongation of the elements less than half as much as the solution with a solid mass plan.
In addition, Figure 9b illustrates the radiation pattern (dBi) in function of theta angle (degrees).
In this figure, the curves 93, 94 and 71 represent the polarization circular left for respectively the antenna with a ground plane comprising a recess formed in its center extended by a cylinder, for the antenna with a ground plane comprising four recesses, for the antenna with a solid ground plane.
Still in this figure, the curves 97, 96 and 70 represent the cross polarization for respectively the antenna with a ground plane comprising a recess formed in its center extended by a cylinder, for the antenna with a ground plane comprising four recesses, for the antenna with a solid ground plane and curve 72 represents the Expected specifications for the main polarization.
In terms of left circular polarization, the performances of the antennas are equivalent.
In terms of cross-polarization, antenna performance with a ground plane including a recess in the center extended by a cylinder are best in the half-space of interest (theta angle between -90 and +90). However, this solution presents a back radiation (theta angle close to 180) greater than the solutions with solid ground plan or with four recesses.
This last parameter may be important if the intended application requires reducing the electromagnetic interactions with the structure carrier.

14 Les performances de l'antenne avec un plan de masse plein sont similaires aux performances avec un plan de masse comprenant quatre évidements, à la fois dans le demi espace d'intérêt et en rayonnement arrière.
Ainsi l'antenne avec un plan de masse comprenant quatre évidements permet de s'affranchir de l'utilisation d'un cylindre afin d'améliorer le niveau du rayonnement arrière. Ceci permet également un gain sur la hauteur totale de l'antenne tout en conservant des performances acceptables en termes d'adaptation et de polarisation croisée.
Bien entendu, si l'application visée le permet, on préfèrera utiliser l'antenne avec un plan de masse comprenant un évidement en son centre prolongé par un cylindre car elle présente une meilleure adaptation.
L'antenne ainsi décrite permet par sa structure d'avoir de nombreuses possibilités quant aux différents réglages possibles (inclinaison, géométrie des éléments métalliques et du plan de masse, filtres et/ou interrupteurs sur les éléments métallique) de l'antenne contribuant à une multiplicité des applications visées.
Par ailleurs les différents degrés de liberté quant à l'inclinaison et la géométrie des éléments métalliques permettent d'optimiser l'encombrement d'une telle antenne et d'adapter le diagramme de rayonnement de l'antenne aux applications visées. 14 The performance of the antenna with a solid ground plane are similar to the performances with a ground plane including four recesses, both in the half space of interest and in radiation back.
So the antenna with a ground plane including four recesses makes it possible to dispense with the use of a cylinder so to improve the level of the back radiation. This also allows a gain on the total height of the antenna while maintaining performance acceptable in terms of adaptation and cross-polarization.
Of course, if the intended application allows it, we prefer to use the antenna with a ground plane including a recess in its center extended by a cylinder because it has a better adaptation.
The antenna thus described allows by its structure to have many possibilities regarding the different possible settings (inclination, geometry of the metal elements and the ground plane, filters and / or switches on the metal elements) of the antenna contributing to a multiplicity of targeted applications.
Moreover the different degrees of freedom as to the inclination and the geometry of metallic elements make it possible to optimize the space of such an antenna and to adapt the radiation pattern of the antenna targeted applications.

Claims

15

Antenna comprising a plurality of metal elements (10, 20, 30, 40), said metal elements (10, 20, 30, 40) being in point contact (11, 21, 31, 41) with a ground plane (M) and equidistributed around an axis of central symmetry (D) of the antenna, perpendicular to the ground plane (M), each metal element extends from the point contact according to a non-zero inclination angle (0) with respect to said ground plane (M), the antenna is characterized in that the ground plane (M) comprises at minus one recess (80-83, 84-87).

Antenna according to claim 1, characterized in that the plane of mass (M) comprises a recess (50) formed at its center.

Antenna according to claim 2, characterized in that the recess is adjacent to each point contact and is of a form selected from the group next: circular, square, octagonal.

Antenna according to claim 3, characterized in that the plane of mass (M) is prolonged by a right waveguide (60), pyramidal or conical, possibly truncated, arranged at the level of the recess in the ground plane (M) and such that the shape of the section of the guide at level of contact with the ground plane (M) is identical to the recess arranged in this one.

Antenna according to claim 1, characterized in that the plane of mass (M) comprises four recesses (80-83, 84-87).

Antenna according to claim 5, characterized in that the recesses (84-87) are each adjacent to a point contact and whose shape is included in the following list: circular, square, rectangular, octagonal.

Antenna according to claim 6, characterized in that the four recesses of the ground plane (M) are prolonged by waveguides straight, pyramidal or conical, possibly truncated, arranged in level of the recesses in the ground plane (M) and such that the shape of their sections at the contact with the ground plane (M) is identical to the recesses in this one.

Antenna according to one of Claims 5 to 7, characterized in that the recesses are evenly distributed on the ground plane.

9. Antenna according to one of claims 1 to 8, characterized in that the metallic elements (10, 20, 30, 40) are identical.

Antenna according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the metallic elements (10, 20, 30, 40) are metal strands.

Antenna according to one of Claims 1 to 10, characterized in that the metallic elements (10, 20, 30, 40) are broken metal strands.

Antenna according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the metal elements are triangular in shape.

Antenna according to one of Claims 1 to 12, characterized in that the metallic elements form a pyramidal structure.

Antenna according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the metal elements are arcs.

Antenna according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the metal elements (10, 20, 30, 40) are oriented towards the axis of symmetry (D) of the antenna around which they are distributed.

Antenna according to claim 15, characterized in that the angle tilt ([thetap of metallic elements (10, 20, 30, 40) at the ground plane (M) is equal to 45.

Antenna according to one of Claims 1 to 14, characterized in that the metal elements (10, 20, 30, 40) are oriented in the opposite direction to the axis of symmetry (D) of the antenna around which they are distributed.

18. Antenna according to one of claims 1 to 17, characterized in that the metallic elements (10, 20, 30, 40) are fed at the level of point contacts (11, 21, 31, 41) with the ground plane (M).

Antenna according to claim 18, characterized in that the elements are supported by a pyramidal structure (S) that does not have radiofrequency properties.

20. Antenna according to one of claims 1 to 19, characterized in that the ground plane (M) is circular in shape.

21. Antenna according to one of claims 1 to 20, characterized in that it comprises filters arranged on each metal element (10, 20, 30, 40).

22. Antenna according to one of claims 1 to 21, characterized in that it includes switches arranged on each metal element (10, 20, 30, 40).

23. Use of an antenna according to one of claims 1 to 22 in a satellite positioning system.

24. Use of an antenna according to one of claims 1 to 22 in a satellite broadcasting system for multimedia content.

25. Use of an antenna according to one of claims 1 to 22 in a satellite positioning system and satellite broadcasting of multimedia content.